几种不同驱动方式压装单元的比较研究

刘 盼，赵金库，朴春华

（1.上海智能制造功能平台有限公司，上海 201306；2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江 157000）

压装装配是机械制造装配生产线上重要的工艺环节，是需要使用恰当的设备将合格的零部件进行配合和连接的过程。随着钢铁、有色冶金、航空航天、铁路高速机车、船舶、核电、风电和军工等行业的快速发展，对零部件装配质量、设备节能化及精密化要求越来越高[1]，目前国内压装设备主要有传统机械式压装单元、液压式压装单元以及伺服电机压装单元，不同驱动方式，工作时其速度和压力控制也不相同。

本文就上述提及的不同驱动方式下压装单元的动力学特征和功率消耗以及经济性等进行了分析和比较，并对各自的特点和应用范围进行了讨论，以供相关人员参考和借鉴。

1 传统机械式压装单元

传统机械式压装单元主要是通过曲柄滑块单元将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往返运动，对压装零件进行压装。其具有冲击力较大，生产效率高等特点，但是其工作时速度和压力不可控制，对零件的冲击力大，柔性度不够。其原理如图1 所示。

图1 传统机械式压装单元原理图

传统机械式压装单元工作时由电动机通过三角皮带驱动大皮带轮，经过齿轮副和离合器带动曲柄滑块单元，使滑块和压板直线下行。压装完成后滑块回程上行，离合器自动脱开，同时曲柄轴上的制动器接通，使滑块停止在上止点附近。由于整个生产线运输限制，故选用单柱式压装单元，该类压装单元结构简单，国内发展已经比较成熟，但实际运用在有高精度要求的生产线中，单元本身存在加载不够平稳，传动链长，传动精度不够高等问题，具体结构如图2 所示。

图2 传统机械式压装三维模型图

2 液压式压装单元

液压式压装单元是液压泵产生的带压力的液体通过控制回路液压执行件来传递动力。其具有较大的压力，运行平稳，工作行程可以自由控制，调节范围较大，工作效率适中，但是其配置较为复杂，造价相对较高，运转速度也较慢。其原理如图3 所示。

图3 液压式压装单元原理图

液压式压装单元各动作是由液压传动系统实现，系统主要包括以下几个部分：液压动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作液体。通过电磁换向阀来控制油缸的换向，节流阀控制速度。液压压力单元的致密性及稳定性符合大多数装配线压装要求，因为液压件的标准化，理论的成熟化很高，故维护和保养也更容易。具体单元如图4 所示。

图4 液压式压装单元三维模型图

3 伺服式压装单元

伺服式压装单元去掉了飞轮、离合器和制动器，采用交流伺服电机取代交流异步电机直接驱动设备，结构更简单，传动精度高。另外采用先进的数字控制系统控制电机转动，可使滑块在运行的过程中能随时加速、减速或停止，可以根据工艺需求设定完成各种复杂的运动曲线[2]。这种形式压装单元保留融合了传统机械式压装单元和液压单元的优点，具有柔性化、高精度、高效率和环保节能等特点[3]。其原理如图5 所示。

图5 伺服式压装单元原理图

伺服式压装单元采用伺服电机直接驱动，配合高精度滚珠丝杆运输，运用数字控制系统，但滚珠丝杆的承载能力有限，而且价格昂贵，这种传动形式适用于吨位要求不大且精度要求极高的压装单元。

目前我国的制造业能源消耗大，资源占有率高，浪费也很严重，所以新型制造装配生产线对设备环保性能也提出了要求，伺服压装单元可实现精确压力和位移全闭环控制的高精度特性，相比传统机械及液压压装单元，节能效果达到80%以上，更加环保、安全，能满足无尘车间内设备使用要求。具体结构如图6 所示。

4 压装单元不同方案的比较

笔者以公称力50 kN 的同一工作参数，对上面提及的传统机械式压装单元（图1—图2）、液压式压装单元（图3—图4）、伺服式压装单元（图5—图6）3 种典型压装单元的动力学特征和功率消耗进行对比分析，并从经济性、故障率及维护等方面全方位比较选择。

图6 伺服电机压装三维模型图

4.1 机座静力学计算

机座把压装单元全部部件联结成一个整体，是压装单元主要部件之一。机座要满足刚度，强度及稳定性要求[4]。

2.1.3 心理护理:由于长期尿失禁,部分输尿管异位开口的患者身上常有异味,自己不愿与人接触,渐渐形成了自卑、孤僻的性格;还有的患者误以为自己得了性疾病,羞于启齿,又担心不能根治,情绪日渐低落;另外,由于陌生的环境,手术期的临近,也会增加患者的焦虑和恐慌。针对这种情况,护理人员必须以真诚友好的态度给予患者鼓励、支持和安慰,既要耐心细致地向患者及其家属讲明病情,使其对疾病有充分的认知和了解,又要简要通俗地介绍手术过程及预后,帮助患者及其家属打消顾虑,增强信心,进而积极主动地配合检查、治疗及护理。

（1）机座结构力求简单，重量尽量轻，便于零部件的安装、调整和维修。

（2）必须具有良好的加工制造工艺性。

（3）机座需考虑到冲压工艺送料和卸件的要求，便于安装送料和卸件装置。

运用ANSYS 静态应力/位移分析功能，校核机身在最大工作载荷下的应力应变水平。图7—图9 为不同方案压装单元机座位移应变云图。

图7 传统机械式压装单元底座位移云图

图9 伺服式压装单元底座位移云图

从云图可以看出，传统机械式压装单元机座最大位移为0.011 4 mm，液压式压装单元机座最大位移为0.367 1 mm，伺服式压装单元机座最大位移为0.247 1 mm，根据设计要求，工作最大变形量与宽度比值小于1/8 000，满足刚度要求。

图8 液压式压装单元底座位移云图

图10—图12 为不同压装单元机座MISES 等效应力云图，3 个机座应力分布较均匀，小区域内存在应力集中，最大应力值均小于材料屈服极限，强度方面均满足设计要求。

图10 传统机械式压装单元底座等效应力图

图12 伺服式压装单元底座等效应力图

4.2 功率消耗

伺服压装单元省去飞轮、离合器甚至采用直接传动，传动环节大大减少，维修工作量亦相应减少。伺服电动机较普通感应电机效率高，减速时采用电磁制动，制动能量可储存回收。与机械制动和液压传动的节流调速相比，可大大节省能量。

传统机械式压装单元，飞轮空转耗能约占总能耗的6%～30%，离合器耗能约占总能量的20%。

而液压式压装单元，不仅会在液压泵上损失大量能源，也会在沿程压力损失及局部压力损失消耗，溢流阀和系统发热都会造成大量能量流失。

图11 液压式压装单元底座等效应力图

4.3 经济性

合格的设备必须要考虑其经济性，而经济性包含两个部分，即生产成本和使用成本。对于一般装配生产线而言，在保证工序生产正常运行的情况下，成本最小时，经济性最佳。

不同压装单元其市场价值也不一样，根据网络大数据统计出1 个近似成本。对于压装单元使用成本，传统机械式压装单元需要定期更换离合器制动器等零部件，由于其本身效率不高，故能源消耗也大；液压式压装单元传动控制单元复杂，液压油需要每年更换，其密封件易损，维护和保养费用高，能源消耗大；伺服式压装单元生产成本较高，但其故障率较低，能源消耗小，维护和保养费用较低。其对比见表1。

表1 不同压装单元经济性比较表

4.4 典型故障

设备的功能体现着它在生产活动中存在的价值和对生产的保证程度，故障的频繁发生往往会影响企业产品的数量和质量，并且设备维修成本在企业成本中占比也越来越重，选择故障率低的压装设备对产品质量和降本增效都有着重要作用。

由于单元结构和运行原理不同，不同单元典型故障也有着不同之处。传统机械式压装单元存在离合器制动器零件磨损问题、曲轴轴承磨损问题等；液压式压装单元由于液压系统中接头、管路、液压元件都存在漏油的问题，工作介质受到污染也有可能造成各种故障；伺服式压装单元故障一般较少，但也存在电器元件故障、轴承磨损等问题。

5 结论

（1）一般生产装配线上压装单元有传统机械式、液压式和伺服式3 种类型。3 种结构机身都能在工作载荷下满足设计要求的刚度及强度。

（2）与传统机械式、液压式压装单元相比，伺服式压装单元功率损耗最小。

（3）伺服式压装单元一次性购入成本高，但其故障率低，使用成本不高，经济性能最优。

（4）根据当今世界上制造生产线呈自动化、连续化、遥控化的发展趋势，我国必须开发高度集成柔性和自动化的装配生产线技术。伺服电机驱动的压装机构经优化后可以得到较小的电机功率，具有更大的发展空间[5]，故伺服式压装单元在高精度、可控制和柔性化等方面都是最合适的选择。